JPH0833475B2

JPH0833475B2 - 原子炉用制御棒

Info

Publication number: JPH0833475B2
Application number: JP62047677A
Authority: JP
Inventors: 精植田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-03-04
Filing date: 1987-03-04
Publication date: 1996-03-29
Anticipated expiration: 2011-03-29
Also published as: JPS63215991A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は原子炉出力を調整制御する原子炉用制御棒に
係り、特に外力に対する機械的強度が高く、かつ腐食に
よる損耗が少ない原子炉用制御棒に関する。

（従来の技術）従来の沸騰水型原子炉用制御棒は、中央タイロッドに
細長いＵ字状シースを固着して形成した複数個のウィン
グ内に多数の中性子吸収棒を装填して構成されている。
中性子吸収棒は例えばステンレス鋼製被覆管内に中性子
吸収材としてボロンカーバイド（B₄C）粉末を充填して
調製される。充填されたB₄Cは原子炉内において中性子
を吸収して中性子吸収能力が次第に失われる。

ところで、原子炉の炉心に挿入または抜出される制御
棒はその全領域に亘って一様な中性子照射を受けるもの
ではなく、例えばウィングの側縁領域または上端領域は
強度の中性子線を受ける。このため、制御棒の各ウィン
グの側縁および上端領域に配設した中性子吸収棒は、多
量の中性子を吸収し、他領域の中性子吸収棒より早期に
核的寿命を終える。したがって、他の領域に配設された
中性子吸収棒が十分に核的寿命を残しているにも拘らず
制御棒を放射性廃棄物として廃棄しなければならない不
経済性があった。

そのような問題を解決するために強度の中性子照射を
受ける制御棒の領域に核的寿命が長い、例えばハフニウ
ムのような長寿命型中性子吸収体を部分的に配置した原
子炉用制御棒を本出願人は開発した。この原子炉用制御
棒は、特開昭53−74697号公報に開示されている通り、
通常型制御棒の２倍程度の寿命が確保された。

その後、原子炉の高燃焼度運転、長期連続運転への移
行が希求され、制御棒の長寿命化に対する要請も一段と
高まったことに応えて、本出願人は特願昭61−78746号
明細書に記載したように飛躍的に寿命を延伸できる長寿
命タイプの原子炉用制御棒を開発した。

この原子炉用制御棒は中性子吸収材としてB₄Cを使用
せず長寿命を有するハフニウム金属板等の金属中性子吸
収板をシース内に対向して配設した構造を有している。
具体的な構成は第７図および第８図に示す。すなわち原
子炉用制御棒１はハンドル２を備えた先端構造材３と末
端構造材４とを横断面十字状の中央タイロッド５で一体
的に接合している。中央タイロッド５の各突出部には深
いＵ字状横断面を有するステンレス鋼で形成したシース
６が固設されてウィング７が形成される。

上記シース６内にはハフニウム（Hf）金属板等を代表
とする板状の長寿命型中性子吸収体８が収容される。

この中性子吸収体８は中央タイロッド５の軸方向に複
数の中性子吸収要素8aに分割され、各段の中性子吸収要
素8aは第８図に例示するようにウィング７の肉厚方向に
対向して配設される、例えば２枚の中性子吸収板8bで構
成され、両者は複数のスペーサ９を介して一体的に接合
される。２枚の中性子吸収板8bの間には、減速材が流通
する流路10が形成される。また、シース６には減速材で
ある炉水がシース６内に流入または流出するための通水
孔21a,21bが多数穿設されている。

このハフニウム板トラップ型の原子炉用制御棒によれ
ば、従来のようにB₄Cを充填した被覆管を必要とせず、
長寿命を有するハフニウム板を使用しているため、制御
棒自体の寿命は格段に延伸する。ところが、ハフニウム
は中性子吸収能力がB₄Cと比較してやや劣り、また比重
が大きいため、従来の制御棒と同等の中性子吸収機能を
確保するためには、厚さが大きいハフニウム板を装着す
る必要がある。そのため、制御棒の重量が大幅に増加
し、荷重設計の変更を要することとなり、既設の制御棒
駆動機構にそのまま採用できない問題があった。

その問題点を解決するために、第８図に示すように、
シース内に対向して配設されるハフニウム製の中性子吸
収板8bの間に減速材である水を流通せしめる流路10を形
成して、減速材による中性子減速効果を利用することが
提案された。すなわち、流路10に水を流通せしめると水
の中性子減速効果によって制御棒の反応度価値が向上す
る。したがって、相対的に中性子吸収材としてのハフニ
ウム板の厚さを低減することができる。

この結果により、中性子吸収板8bの間に形成される流
路10の幅を最大限に確保する一方、ハフニウムで形成し
た中性子吸収板8bの厚さを極限まで低減し、制御棒の総
重量の増加を可及的に抑制したことにより、このハフニ
ウム板トラップ型の制御棒は従来の制御棒駆動機構に採
用することが可能となった。

ちなみに、この原子炉用制御棒の実物大模型（モック
アップ）を組み込んだ臨界実験装置を使用して、反応度
価値を確認した結果、例えば制御棒のシース６内に形成
した減速材の流路10の幅が広いほど制御棒の反応度価値
が上昇することが実証された。すなわち、流路10の幅を
拡大する程、ハフニウム板の板厚を低減することが可能
となり、その点に着目して制御棒の全重量を低減する対
応として検討が進められている。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、制御棒のＵ字状シースの表面間距離
は、従来よりほぼ8mmであり、この値以上に増加するこ
とは炉心設計全体の変更にもつながり、現実的には困難
である。一方、この厚さの範囲内で制御棒の重量を低減
するためには、シースの厚さをより薄くする必要があ
る。しかし、シースの構造部材としての強度が低下する
ため、例えば大地震の発生時に制御棒に過大な曲げ応力
が作用した場合に塑性変形を起す可能性が増加し、制御
棒の炉心への挿入操作に悪影響を及ぼすことも考えられ
る。すなわち、過大な曲げ応力によってシースが外方に
塑性変形し、対向して配設された燃料集合体と接触し、
制御棒の挿入操作に支障をきたす可能性を完全に否定す
ることは困難である。

また、従来の原子炉用制御棒においては、シース内に
装填される中性子吸収体は軸方向に一体的なものではな
く、軸方向に複数段に分割されているため、構造部材と
してのシースの強度を補強する作用は少なかった。その
ため、制御棒に曲げ応力が作用した場合、相対的に強度
が低下した上記の分割位置などに応力が集中的に作用す
ることになる。

また、原子炉スクラム動作の際、制御棒を急速に炉心
内に挿入する際に生じる加速度によって制御棒に大きな
軸方向荷重が作用し、分割位置のシース表面に変形を生
じる可能性もあるため、何らかの補強対策が望まれる。
特に、原子炉の高燃焼度長期連続運転に供する原子炉用
制御棒は設計基準として多数回のスクラム動作に対して
も変形を生じることなく、充分な機械的強度を保持でき
る健全性が要求される。

一方、長期間に渡り腐食に対する健全性も保証されな
ければならない。

すなわち、制御棒の反応度価値を高めるため、および
装着する中性子吸収板の重量を低減するために減速材の
流路の幅を拡大すると、中性子吸収板はシース内表面に
密着して、その部分における冷却材の円滑な流れを阻害
することも考えられる。冷却材が停滞すると、中性子を
吸収して発熱した中性子吸収板の除熱操作が円滑に進行
せず局部的に過熱状態になることも考えられる。また、
シースを形成するステンレス鋼および対向する中性子吸
収板の相互間隔を保持するステンレス鋼製スペーサと中
性子吸収板を構成するハフニウムとの異種金属が接触す
ることにより、電気化学的腐食を誘発する可能性も考え
られる。

さらに、原子炉内は強度の放射線環境下にあるため、
冷却材である水が放射線分解して酸素過剰雰囲気が醸成
され、応力腐食割れの誘発が促進される可能性もある。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたもの
であり、外力に対して変形が少なく機械的強度が高く、
また腐食による損耗を防止し得る原子炉用制御棒を提供
することを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段）本発明に係る原子炉用制御棒は、先端構造材と末端構
造材とを中央タイロッドによって結合し、上記中央タイ
ロッドの各突出部にＵ字状のシースを固設し、上記シー
ス内に板状の長寿命型中性子吸収体を挿入してウィング
を形成し、各ウィングの最外縁に上記長寿命型中性子吸
収体と隣接して長尺のハフニウム材を配設する一方、上
記中性子吸収体は中央タイロッドの軸方向に複数段の中
性子吸収要素に分割され、各段の中性子吸収要素はウィ
ングの肉厚方向に対向して収容される複数の中性子吸収
板で構成され、対向する中性子吸収板の間に複数のスペ
ーサを局所的に介装して中性子吸収板の対向間隔を保持
するとともに減速材を案内する流路を形成する一方、上
記中性子吸収板内面に当接するスペーサの間隔保持面に
通水溝を形成したことを特徴とする。

さらに上記中性子吸収板の外面とシース内面との間に
通水路を形成したことを特徴とする。

（作用）上記構成の原子炉用制御棒は、各ウィングの最外縁に
長寿命型中性子吸収体と隣接して長尺のハフニウム材を
配設しているため、シースの構造強度が増強され、外力
に対する制御棒の耐性が強化される。すなわち、配設さ
れた長尺のハフニウム材によって各ウィングの最外縁が
補強され、制御棒全体の機械的強度が増加する。したが
って、地震等による曲げ応力に対する変形も少なく、長
期間運転を想定した数多いスクラム動作に対しても機械
的な健全性を維持できる。

さらに中性子吸収板内面に当接するスペーサの間隔保
持面に通水溝が形成されているため、冷却材が通水溝に
充分流れ、中性子吸収板が過熱されて損傷することが少
ない。また異種金属である中性子吸収板とスペーサとの
接触割合が減少するため、両者間の電気化学的な腐食も
少なくなる。

また、中性子吸収板の外面とシース内面との間に通水
路を形成することにより、冷却材が充分流れ滞留するこ
とがないため、シースが局部的に過熱されて損傷するこ
とがない。また、通水路によって中性子吸収板外面とシ
ース内面とが隔離されるため、異種金属である両者が接
触して電気化学的な腐食を生起するおそれがなく、長期
間に渡って原子炉用制御棒の健全性を維持することがで
きる。

（実施例）以下、本発明に係る原子炉用制御棒の一実施例につい
て添付図面を参照して説明する。

第１図は本発明に係る原子炉用制御棒の正面図であ
り、図において右側のシースを部分的に破断して示す。
なお、第７図および第８図に示す従来例と同一の構成要
素・部品には同一符号を付している。

本実施例の原子炉用制御棒１は、ハンドル２を備えた
先端構造材３と末端構造材４とを横断面十字形の中央タ
イロッド５で一体的に接合している。中央タイロッド５
の各突出部には、Ｕ字状横断面を有するシース６が固設
されてウィング７が形成される。上記シース６内の中央
タイロッド側にはハフニウム金属板を代表とする板状の
長寿命型中性子吸収体８が収容される。

また、上記中性子吸収体８に隣接して各ウィング７の
最外縁には長尺のハフニウム材11が配設される。長尺の
ハフニウム材11は、例えば第２図に示すように丸棒状に
形成したものを、２〜５本並列され、ウィングの軸方向
全長に渡り貫通するように配設される。また、第１図に
示すようにハフニウム材11の挿入先端側の上部には、熱
膨張による変形を吸収するための空間32が設けられてい
る。

一方、上記中性子吸収体８は、中央タイロッド５の軸
方向に複数枚の中性子吸収要素8aに分割され、各段の中
性子吸収要素8aは、第２図に示すようにウィング７の肉
厚方向に対向して収容される複数の中性子吸収板8bで構
成され、対向する中性子吸収板8bの間に減速材を案内す
る流路10が形成される。一方、上記中性子吸収板8bの外
面とシース６内面との間には通水路12が形成される。対
向して配設された中性子吸収板8b,8bは側縁用スペーサ1
3と中央用スペーサ14によって所定の間隔をおいてシー
ス６に保持される。側縁用スペーサ13および中央用スペ
ーサ14はハフニウム材またはステンレス鋼材によって形
成される。

次に、第３図を参照して中性子吸収板8bの取付部の構
造をより具体的に説明する。シース６内に対向して配設
された中性子吸収板8b,8bの両端部は、ウィングの軸方
向に所定間隔をおいて配設された短尺の側縁用スペーサ
13に部分的に溶接等によって接合される。

この側縁用スペーサ13の板取付部13aの幅によって中
性子吸収板8b,8bの間に所定間隔の流路10が形成される
一方、シース６内面と中性子吸収板8b外面との間に所定
の幅を有する通水路12が形成される。

なお、中央タイロッド５の突出端縁部と突出端縁部に
対向する側縁用スペーサ13との各々の角部に、第３図に
示すように面取り加工を施工すると通水路30が形成さ
れ、減速材である炉水の流動抵抗が低下し冷却作用が円
滑になり、中性子吸収板8bの局部的な過熱が防止され
る。

一方、中性子吸収板8bの中央部は、中央用スペーサ14
およびリング状スペーサ15を介して所定位置に固定され
る。ここで、中央用スペーサ14は第４図に示すように、
流路10の幅に相当する厚さを有するつば状の取付座16を
有し、この取付座16の両面に対向する中性子吸収板をそ
れぞれ当接することにより、中性子吸収板の対向間隔が
所定値に保持される。この取付座16の両面（間隔保持
面）には減速材である炉水が流通するための通水溝17が
設けられている。

対向した中性子吸収板8b,8bは中央用スペーサ14の取
付座16の両面にそれぞれ装着され、リング状スペーサ15
を介してシース６に固定される。中央用スペーサ14は、
対向するシース６に設けた取付穴18に溶接等によって一
体的に接合される。なお、同様な冷却効果を得るため
に、リング状スペーサ15の表面部にも中央用スペーサ14
と同様に、通水溝17aを設けるとよい。

また中性子吸収板8b,8bには中央用スペーサ14が貫通
する貫通穴31が形成される。この貫通穴31の内径を中央
用スペーサ14の貫通部の外径より大きく設定し、両者間
に所定のクリアランスを形成しておくことにより、シー
ス６と中性子吸収板8bとの熱膨張差に起因する変位を効
果的に吸収することができ、熱変形を防止することが可
能となる。

第１図に示すように、シース６表面に穿設した通水孔
21a,21bからシース６内に流入した炉水は、流路10およ
び通水路12を流通し、中性子吸収板8bに発生した熱を除
去し、また減速材としての機能をも果しながらウィング
７上部の通水孔21a,21bから流出する。

以上のように、本実施例による原子炉用制御棒におい
ては、各ウィング７の最外縁に長尺のハフニウム材11を
配設しているため、シース６全体の構造強度が増加し外
力に対する制御棒の耐性が向上する。したがって、長期
間に渡って運転される原子炉用の制御棒として有用であ
る。

また、本実施例においては、中性子吸収板8bの外面と
シース６内面との間に通水路12を形成しているため、冷
却材が充分に流通し、シース６または中性子吸収板8bが
局部的に過熱されて損傷する可能性はない。

また、通水路12は側縁用ペーサ13、中央用スペーサ14
およびリング状スペーサ15によって中性子吸収板8b外面
とシース６内面とを隔離して形成しているため、異種金
属である両者が接触して電気化学的な腐食を生起するお
それがなく、長期間に渡って原子炉用制御棒１の健全性
を維持することができる。また中性子吸収板8b内面に当
接する中央用スペーサ14の取付座16の間隔保持面にも通
水溝17が形成されているため、同様な冷却効果および防
食効果が得られる。

次に、本発明の他の実施例について第５図を参照して
説明する。

この実施例では、各ウィング７の外側縁部の軸方向に
中空円管状に形成された長尺のハフニウム材11aを配設
して構成する。

この場合、長尺のハフニウム材11aの中空部19に減速
材としての水の流路が確保されるため、ハフニウムの中
性子吸収機能を肩代りすることが可能であり、ハフニウ
ム材の素材重量を若干低減することができる。なお、ハ
フニウム材11aの側面部に多数の透孔22を設け、減速材
の流通経路を多様化して流動抵抗を低減し、冷却効率を
より向上することもできる。

また、シース６内面に突出するディンプリング20をシ
ース６表面に多数形成し、このディンプリング20の頂部
を中性子吸収板8bに当接することにより中性子吸収板8b
外面とシース６内面とを隔離し、所定幅の通水路12を形
成してもよい。なお、上記ディンプリング20は、中央用
スペーサ14および側縁用スペーサ13の近傍のシース６に
形成するとよい。

この場合、側縁用スペーサ13はシース６内の中央部に
形成される流路10の幅のみを規制する形状となる。した
がって、その形状は単純化され、加工調製が容易であ
る。また、本実施例の場合、通水路12の幅を規制するリ
ング状スペーサ15（第２図）が不要となり、ウィング７
の組立作業が簡素化される。なお、本実施例において対
向して配設した中性子吸収板8b,8bの端部に介装する側
縁用スペーサ13は、第６図に示すようにウィング７の軸
方向に所定間隔をおいて配設され、各側縁用スペーサ13
は対向する中性子吸収板8b,8bの一方にのみ溶接等によ
って固定されている。したがって、対向する中性子吸収
板8b,8bの一方に何らかの理由で不測の曲りが生じた場
合においても、その影響によって両方の中性子吸収板8
b,8bが一体となって大きく変形することが防止される。

〔発明の効果〕

本発明に係る原子炉用制御棒においては、各ウィング
の最外縁に長尺のハフニウム材を配設しているため、シ
ースの構造強度が増加し、外力に対する原子炉用制御棒
の耐性が強化される。したがって、長期間に渡って使用
される間に想定される地震または数多いスクラム動作に
対しても充分安全に対処することができる。

また、中性子吸収板の外面とシース内面との間に通水
路を形成することにより、冷却材が充分に流通し、シー
スまたは中性子吸収板が過熱状態になることが防止され
る。また、通水路を設けることにより中性子吸収板外面
とシース内面とが隔離されるため、異種金属である両者
が電気化学的腐食を発生することが少なく、長期間に渡
って原子炉用制御棒の健全性を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る原子炉用制御棒の一実施例を部分
的に破断して示す正面図、第２図は第１図におけるII−
II矢視断面図、第３図は第２図におけるIII部詳細図、
第４図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は第３図における中央用
スペーサのそれぞれ斜視図、平面図、断面図、第５図は
他の実施例のウィングの断面図、第６図は第５図におけ
るVI−VI矢視断面図、第７図は従来の原子炉用制御棒の
全体斜視図、第８図は第７図におけるVIII−VIII矢視断
面図である。１……原子炉用制御棒、２……ハンドル、３……先端構
造材、４……末端構造材、５……中央タイロッド、６…
…シース、７……ウィング、８……中性子吸収体、8a…
…中性子吸収要素、8b……中性子吸収板、９……スペー
サ、10……流路、11,11a……長尺ハフニウム材、12……
通水路、13……側縁用スペーサ、13a……板取付部、14
……中央用スペーサ、15……リング状スペーサ、16……
取付座、17,17a……通水溝、18……取付穴、19……中空
部、20……ディンプリング、21,21a,21b……通水孔、22
……透孔、30……通水路、31……貫通孔、32……空間。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所 9216−2ＧＧ２１Ｃ 7/10 ＧＤＢＬ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】先端構造材と末端構造材とを中央タイロッ
ドによって結合し、上記中央タイロッドの各突出部にＵ
字状のシースを固設し、上記シース内に板状の長寿命型
中性子吸収体を挿入してウィングを形成し、各ウィング
の最外縁に上記長寿命型中性子吸収体と隣接して長尺の
ハフニウム材を配設する一方、上記中性子吸収体は中央
タイロッドの軸方向に複数段の中性子吸収要素に分割さ
れ、各段の中性子吸収要素はウィングの肉厚方向に対向
して収容される複数の中性子吸収板で構成され、対向す
る中性子吸収板の間に複数のスペーサを局所的に介装し
て中性子吸収板の対向間隔を保持するとともに減速材を
案内する流路を形成する一方、上記中性子吸収板内面に
当接するスペーサの間隔保持面に通水溝を形成したこと
を特徴とする原子炉用制御棒。
【請求項２】前記中性子吸収板の外面とシース内面との
間に通水路を形成したことを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の原子炉用制御棒。
【請求項３】長尺のハフニウム材は、中空円管状に形成
されてなる特許請求の範囲第１項記載の原子炉用制御
棒。
【請求項４】シースは、シース内面に突出するディンプ
リングを有し、上記ディンプリングの頂部を中性子吸収
板に当接せしめ、中性子吸収板の外面とシース内面との
間に所定幅の通水路を形成した特許請求の範囲第２項記
載の原子炉用制御棒。
【請求項５】ディンプリングは、スペーサ近傍のシース
に形成されたことを特徴とする特許請求の範囲第４項記
載の原子炉用制御棒。
【請求項６】中央タイロッドの突出端縁部に通水路を形
成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の原
子炉用制御棒。
【請求項７】中性子吸収板はスペーサが貫通する貫通穴
を有し、この貫通穴の内径をスペーサの外径より大きく
設定し、シースと中性子吸収板との熱膨脹差を吸収する
構造としたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の原子炉用制御棒。